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“木头大王”胡良兵助力碳中和,碎木屑变生物可降解塑料

时间:2021-04-07     【转载】   来自:DeepTech深科技

木材也能变塑料!在“碳中和”背景下,“木头大王”胡良兵推出又一力作。

“碳中和”绝对是 2021 年热词之一,并且离我们也并不遥远,但如果你经常喝奶茶或者逛超市,就会发现 2021 开年以来,喜茶等很多奶茶店都用纸吸管替换了塑料吸管,沃尔玛等很多超市,也开始全面启用可降解购物袋。

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图 | 某奶茶店下单小程序中显示使用可降解吸管(来源:网络

塑料袋在方便生活的同时,也带来了“买一赠一”的副作用,它往往需要数百年时间才能降解。

近日,马里兰大学胡良兵教授联合耶鲁大学姚媛教授,用低廉的木材加工剩余物生产出高质量的生物塑料。

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图 | 一棵树成为塑料的过程示意图(来源:Nature Sustainability

相关论文于 3 月 25 日以《坚固、可生物降解和可回收的木质纤维素生物塑料》(A strong, biodegradable and recyclable lignocellulosic bioplastic)为题发表在 Nature Sustainability 上。

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图 | 相关论文(来源:Nature Sustainability )

使用原位木质素再生法,低廉批量生产生物塑料

胡良兵告诉 DeepTech,他们将天然多孔木材基质转化为浆液,借此得到的材料显示出较高机械强度。在变为塑料之后,它不仅能能在液体环境中保持稳定性,还拥有抗紫外线的能力,此外也能像常见塑料袋一样“兜得住液体”。

相比石油基塑料和其他可降解塑料,这种木质纤维素生物塑料(下称生物塑料)不仅能被回收,还能实现安全的生物降解。

此前很多学者都尝试过具备同样功能的塑料,但由于材料的机械绞合线还不足以替代当前主要由化石燃料制成的塑料,故此很难批量制备。

因此,他们绕开传统方法,使用原位木质素再生法,直接从大量廉价的木粉中合成了木质纤维素生物塑料。

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图 | 本次研究中使用的木料(来源:Nature Sustainability

传统纤维素增强复合生物塑料和纤维素膜的制造过程中会对材料进行去木质素处理,并将提取的木质素作为生产废料处理。

该团队采用的原位木质素再生法,充分利用了生物质的木质纤维素成分(尤其是纤维素和木质素),无需进行繁琐的分离步骤。所生产的生物塑料拥有均匀且致密的结构,表面也比较平坦。

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图 | 生物塑料的表面(来源:Nature Sustainability

原位木质素再生法可以产生均匀且高粘度的纤维素-木质素浆料,其中木质素填充了相互连接的纤维素微/纳米原纤维网络,从而可以形成高密度结构。

研究中的重要一步,是生成纤维素-木质素浆料。由于木料具备疏松多孔结构,因此还不能直接生成塑料,他们使用可生物降解和可回收的低共熔溶剂(DES)解聚了木粉中的疏松多孔结构,打破了生物质的“抗解聚屏障”,这样便可得到一种具有纳米级缠结且富含氢键的微 / 纳米纤维素纤维和木质素的混合物。

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图 | 木质素浆料(来源:Nature Sustainability

然后,向该混合物中添加水作为反溶剂,由于 DES 具有高的极性能与水结合,从而导致疏水性的木质素与 DES 分离并迅速再生,以固体形式吸附在微/纳米纤维素表面,用水过滤并洗涤该混合物以除去残留的 DES 便可获得大量稳定的纤维素 - 木质素浆料,该浆料具有高固含量和高粘度的特征。

此外,DES 具有丰富的氢键和酸性,既可以使木材中的天然木质素快速溶解,又可以打破纤维素中的氢键网络结构。


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图 | 木质纤维素生物塑料的制造机理(来源:Nature Sustainability

利用这种高固含量的浆料,通过简单的浇铸工艺,即可制造木质纤维素生物塑料薄膜,且具有大规模生产的能力。 

在室温下蒸发水后,即可获得木质纤维素生物塑料薄膜,实验室合成条件下其尺寸可达100×15×0.1 cm3

由于该混合物具有高固含量和高粘度的优势,在工业生产中,可通过浇铸、轧制或使用简单的流延工艺,将这种浆料变成固体生物塑料薄膜,可降解的生物塑料便诞生了。

该方法制造出的生物塑料,不仅机械强度高,热稳定性也不错,并且具备可回收性和生物降解性。

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图 | 制备出来的塑料(来源:Nature Sustainability

由于缠结的微/纳米纤维素和再生的木质素粘合剂,所得的木质纤维素生物塑料表现出优异的机械强度和柔韧性,如下图,当把 200 克的砝码放在该生物塑料上,它也不会破裂。 

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(来源:Nature Sustainability

再生木质素中大量的羰基和酚羟基,使生物塑料几乎完全吸收 200 到 400 nm 的紫外可见光谱的紫外线,这表明其具有出色的紫外线屏蔽能力。生物塑料的热降解温度为 357°C,这证明该材料具有出色的热稳定性。

掩埋三个月可被完全降解

为了对比本次生物塑料和普通塑料对环境的影响程度,他们将木质纤维素生物塑料和聚氯乙烯(PVC,一种广泛用于各种消费品和建筑业的普通塑料)埋入深度为 5 厘米的土壤中,并随时间监测其形态,以确定它们的降解性。

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图 | 生物塑料降解能力测试(来源:Nature Sustainability

结果显示,木质纤维素生物塑料经历了膨胀过程,在土壤中埋葬 2 个月后破裂,这可能是由于微生物(例如细菌和真菌)的存在,因为微生物可以直接攻击和消化生物塑料中的纤维素和木质素大分子。

最终,生物塑料被掩埋了 3 个月后被完全生物降解,而在相同的埋葬时间后,PVC 保持其原始形状不变,这反映了这种不可生物降解的塑料对环境的长期负担。

此外,胡良兵把木质纤维素生物塑料放置在暴露于日晒、风雨的环境中数月之久的草中,其原始结构也可完全降解,这说明生物塑料在工作条件下既稳定又耐用,但在天然土壤或室外条件下容易降解。

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图 | 木质纤维素生物塑料和 PVC 材料的降解性测试(来源:Nature Sustainability

为了测试生物塑料的水稳定性,该团队分别把纤维素薄膜和生物塑料放在水中,生物塑料拥有比纯纤维素膜更高的水接触角,这表明其排斥水的趋势略大。10 分钟后,水滴逐渐散开并粘附在纤维素膜上,而木质纤维素生物塑料表面上的水滴形状保持相对稳定。

为进一步确定生物塑料的水稳定性,他们将纤维素膜和木质纤维素生物塑料分别浸泡在水中 30 天。

30 天后,纤维素膜完全崩解成微纤维,而木质纤维素生物塑料在潮湿环境中保持了其形状的完整性而没有任何断裂,表现出良好的稳定性。

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图 | 生物塑料的水稳定性(来源:Nature Sustainability

生物塑料也显示出良好的可回收性,可以通过机械搅拌将报废的木质纤维素生物塑料分解成均匀的纤维素 - 木质素浆液,使其重新用作回收材料。

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图 | 回收再利用生物塑料(来源:Nature Sustainability

此外,还可通过简单地收集加工过程中的滤液并蒸发水来回收过程中使用的 DES。即使在回收后,DES 仍能在分解木质纤维素原料时保持出色的反应效率。

重复使用 DES 五次后,溶解的天然木质素含量约为 14.25%,与使用原始 DES 时(〜17.45%)相比下降了约 3%,表明 DES 的反应性即使在回收和再利用后也得以保留。

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图 | 连续原位木质素再生处理和 DES 回收的流程图(来源:Nature Sustainability

更优秀的是,生物塑料可以由各种生物质原料制成,例如草、小麦秸秆和甘蔗渣,这表明该处理工艺具有广泛的适用性。

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图 | 原位木质素再生方法的普遍性(来源:Nature Sustainability

生命周期评估(Life Cycle Assessment,LCA)结果表明,木质纤维素生物塑料对环境的影响比基于石油化学的塑料(例如 PVF 和 ABS)或其他可生物降解的塑料(例如 PCL 和 PBS)低得多。

这种绿色、可回收的制造过程和最终产品展示了一个闭环循环,为利用资源丰富、可再生和可持续的生物质生产稳定、坚固和可生物降解的生物塑料提供了新的机会。

胡良兵表示,和普通塑料一样,生物塑料可被制成塑料袋,也可制成包装薄膜。由于该塑料能模压制成不同形状,因此还有望用在汽车制造中。

使用后的生物塑料,如果不想丢弃,还可以机械搅拌的方式,把它分解成浆液,这样也能回收再利用。

虽然在本次研究中,使用的是木材厂废料,但如果想大规模制备需要使用大量木材,因此考虑到未来可能给森林带来的影响,该团队已经和森林生态学家合作,未来将联合创建森林模拟模型,以便把森林生长周期和塑料制备过程结合起来。